Lightweight Concretes on Hollow and Porous Aggregates

Full Text

Повышение эффективности применения строительных конструкций кроме установления рациональных геометрических размеров, формы и расположения армирующих элементов, также предполагает применение материала, обладающего высокими показателями эксплуатационных свойств и срока службы материала. В строительном материаловедении принято решать две основные задачи: повышение показателей эксплуатационных свойств, совокупность которых определяет качество материала; повышение технико-экономической эффективности материала. Для первой задачи экономическая эффективность, как правило, принимается как ограничение, а целевой функцией оптимизации является качество материала, которое может оцениваться интегральным критерием качества. Решение второй задачи, как правило, сопряжено с применением различных вторичных ресурсов. В редких случаях удается добиться повышения качества материала при достижении технико-экономической эффективности. Последнее является максимальным положительным (желательным) результатом при разработке нового строительного материала.

Одним из направлений развития бетоноведения является сочетание положительных качеств тяжелых и легких бетонов. Оптимизация конкурирующих высоких показателей конструкционных свойств тяжелых бетонов и теплофизических свойств легких бетонов – задача, решению которой посвящено большое количество научных трудов. Так, вопросами применения легких бетонов в железобетонных конструкциях занимались уже с 30-х гг. XX в. [1–3]. Такой интерес к облегчению обосновывался совокупной экономической эффективностью, складывающейся из развивающейся добычи природных легких заполнителей наряду с популяризацией керамзита и технических преимуществ от облегчения железобетонных изделий. При этом технический опыт затрагивал как легкобетонные конструкции для крупнопанельного домостроения (стеновые панели из керамзитобетона) [4], так и ответственных железобетонных изделий в автодорожном мостостроении [5] или междуэтажных перекрытий [6, 7]. В научно-технической литературе [7] описываются примеры строительства в 1936 г. трикотажного комбината и крытого рынка в г. Тбилиси, площадью более 3800 м² каждый или 5-ти и 9-тиэтажных крупнопанельных жилых домов, где все конструкции были выполнены из керамзитобетона.

В России наибольшее распространение получили конструкционные легкие бетоны на керамзитовом заполнителе [8]. Первые опытные конструкции в дорожном строительстве с использованием легкого железобетона возводились в 1940–50-х гг. (рис. 1) [5]. Использование природных пористых заполнителей позволяло как реконструировать существующие мосты (рис. 1, а), так и возводить новые (рис. 1, b). Это позволяло обеспечивать эксплуатацию без необходимости выполнения капитального строительства или экономию ресурсов при возведении нового объекта. В последнее время появляется опыт реконструкции мостов из легких бетонов на полых микросферах. Так, в г. Кимры Тверской области использовался такой бетон для восстановления плит моста через реку Волга [9–11].

 

Рис. 1. Примеры использования конструкционного легкого бетона в СССР [5]: a – расширенный спонголитобетоном¹ монолитный арочный мост-труба (1952 г.); b – сборный плитный мост из пемзожелезобетона (1953 г.)

Fig. 1. Examples of the use of structural lightweight concrete in the USSR [5]: a – monolithic arched pipe bridge expanded made of spongolite concrete (1952); b – precast slab bridge made of pumice-reinforced concrete (1953)

 

Согласно ГОСТ 31914–2012 «Бетоны высокопрочные тяжелые и мелкозернистые для монолитных конструкций. Правила контроля и оценки качества» высокопрочным называется тяжелый или мелкозернистый бетон классов по прочности при сжатии не менее B60 (R_сж≥77 МПа), который получают с применением вяжущего на основе портландцементного клинкера. В [12] легкие бетоны считаются высокопрочным при удельной прочности более 25 МПа. Отсюда легкий бетон со средней плотностью ρ_б≥1100 кг/м³ должен иметь прочность при сжатии не менее 27,5 МПа (В20).

Заполнитель является важным компонентом бетона, оказывающим существенное влияние на параметры структуры и свойства материала. Международный опыт (табл. 1) показывает возможность получения конструкционного легкого бетона на вспученных заполнителях с прочностью от 57 до 102 МПа при средней плотности от 1600 до 1900 кг/м³ [13]. В России опыт основывается преимущественно на разработках легких бетонов на керамических заполнителях [12, 14]. В зависимости от размера керамзитового заполнителя могут быть получены легкие бетоны со средней плотностью 1500–1600 кг/м³ и прочностью при сжатии 37–44 МПа. В странах Тихоокеанского региона в последнее время высокий потенциал и перспективу для производства конструкционного легкого бетона имеет заполнитель из золы-уноса [15]. В зависимости от содержания зольного заполнителя достигается средняя плотность легкого бетона 1650–2015 кг/м³ [16]. При этом прочность может варьироваться в широком диапазоне: от 23 до 74 МПа и от 2 до 4,9 МПа для предела прочности при сжатии и изгибе, соответственно. Использование зольного заполнителя фракций 4–8 и 8–16 мм в определенном соотношении совместно с кварцевым песком, портландцементом, минеральной добавкой из золошлаковой смеси при затворении раствором поликарбоксилатного пластификатора позволяет получить конструкционный легкий бетон со средней плотностью 1850 кг/м³ и прочностью до 54 МПа [17]. За счет высокого расхода портландцемента и небольшого размера легкого заполнителя (9 или 13 мм) некоторые предприятия изготавливают легкий бетон с прочностью 40–50 МПа [18].

 

Таблица 1. Плотность и прочность легких бетонов на пористых заполнителях

Table 1. Density and strength of lightweight concretes on porous aggregates

Заполнитель	ρб, кг/м3	Rизг, МПа	Rсж, МПа	Rуд, МПа	Источник
Керамзитовый	1500–1600	–	37–44	24,7–27,5	[12, 14]
Зольный	1650–2015	2–4,9	23–74	13,9–36,8	[15, 16]
Зольный	1850	–	<54	<29,2	[17]
Керамзитовый	1600–1800	–	40–50	25–27,8	[18]

Примечания: ρ_б – средняя плотность бетона, R_изг – прочность при изгибе, R_изг – прочность при сжатии, R_уд – удельная прочность.

 

За последние 10 лет возможности получения легких бетонов с повышенной прочностью существенно расширились. Это подтверждает анализ отечественных патентных источников [19]. В сравнении с мировым опытом (рис. 2) особенно заметны текущие достижения, которые позволили добиваться более высокой прочности при меньшей средней плотности материала. При этом наибольшее значение удельной прочности наблюдается у составов с цементной матрицей и наполненных полыми микросферами (рис. 2, маркеры зеленого цвета).

 

Рис. 2. Текущие достижения в разработке легких бетонов с повышенной прочностью [19]

Fig. 2. Current achievements in the development of lightweight concrete with increased strength [19]

 

Опыт показывает, что применение керамзитовых заполнителей позволяет достигнуть высоких показателей удельной прочности – до 30 МПа. При этом удельная прочность выступает в качестве критерия технической эффективности материала для конкретной пары конкурирующих свойств: «средняя плотность – прочность при сжатии». Высокая прочность достижима в верхних границах плотностей легких бетонов – при средней плотности не более 1800 кг/м³ (Rуд≥55 МПа). При дальнейшем снижении средней плотности удельная прочность не превышает 30 МПа. Но развитие производства новых эффективных заполнителей позволит существенно расширить возможности создания легких бетонов с высокой прочностью. Наиболее перспективным компонентом, используемым в качестве полого заполнителя, становятся полые микросферы.

Действующий ГОСТ 32496–2013 «Заполнители пористые для легких бетонов. Технические условия» определяет легкие бетоны как «искусственные каменные материалы, полученные в результате затвердевания рационально подобранной смеси пористых заполнителей, вяжущего, воды …». Общие требования к пористым заполнителям предъявляются согласно ГОСТ 9757–90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия». При этом в [20] пористыми заполнителями называют сыпучие зернистые материалы с насыпной плотностью не более 1000 и 1200 кг/м³ для крупной и мелкой (песчаной) фракции, соответственно. Чаще всего по структуре различают пористые заполнители округлой формой зерен с неравномерной плотностью оболочки и центра (гравиеподобные) и неправильной угловатой формой зерен и шероховатой ноздреватой поверхностью (щебнеподобные). Однако в качестве легких заполнителей (наполнителей) могут выступать мелкие порошки, зерна (частицы) которых представляют собой плотную внешнюю оболочку, окружающую центральную полость (ядро), насыщенную газовой средой. Отсюда следует предположить, что особенности строения заполнителей будут оказать влияния на структурообразование легких бетонов, поэтому проведем их классификацию на пористые заполнители (согласно [20]) и полые заполнители.

Достижение требуемой плотности легкого бетона осуществляется варьированием содержания легкого заполнителя. Модель легкого заполнителя можно представить в виде зерна сферической формы с радиусом Rf, представляющего собой газовое ядро, окруженное оболочкой толщиной t из вещества плотностью ρt. При этом пористость оболочки  может варьироваться в диапазоне:

$0\le {П}_t<{\text{П}}_{in}$,

здесь П_in ‒ пористость ядра.

Представленная на рис. 3 модель заполнителя с плотной оболочкой зерна справедлива как для пористых, так и для полых легких заполнителей. Отличительной особенностью является отсутствие в полом заполнителе стенок порового пространства ядра.

 

Рис. 3. Общая схема зерна легкого полого (слева) и пористого (справа) заполнителя

Fig. 3. General scheme of the grain of lightweight hollow (left) and porous (right) aggregate

 

Среднюю плотность легкого бетона можно представить с помощью аддитивной функции:

${\rho }_{lb}=\left(1-{\nu }_f\right)\left(1-{\text{П}}_c\right){\rho }_c+{\nu }_f{\rho }_f$, (1)

где ν_f – объемное содержание заполнителя; П_c и ρ_c – пористость и плотность цементного камня; ρ_f – плотность заполнителя, которая зависит не только от соотношения характерных размеров зерна и вещества стенки, но и от пористости его ядра:

${\rho }_f={\rho }_t\left({\nu }_t\left(1-{П}_t\right)+\left(1-{\nu }_t\right)\left(1-{\text{П}}_{in}\right)\right)$, (2)

а ${\nu }_t=1-{\left(1-t/R_f\right)}^3$ ‒ объемное доля, занимаемая плотной оболочкой t в заполнителе.

При разработке легких бетонов требуемой плотности ключевым рецептурным фактором является содержание заполнителя. На рис. 4 на модельных системах на полом и пористом заполнителе показано влияние структуры заполнителя на достижение требуемой плотности легкого бетона. Так, в соответствии с принятой отличительной особенностью полого и пористого заполнителя (рис. 4), при прочих равных условиях, согласно формуле (2) определяющими являются параметры структуры ядра, выраженные пористостью. Согласно [21] предельная пористость ячеистых материалов составляет 81,2% и зависит от распределения, упаковки пор разного размера и толщины их стенки. Для упрощения представим пористость ядра  полого и пористого заполнителя 100 и 70%, соответственно.

 

Рис. 4. Теоретическая плотность легкого бетона² на полом (сплошная линия) и пористом заполнителе (пунктирная линия) при варьировании

Fig. 4. Theoretical density of lightweight concrete on hollow (solid line) and porous aggregate (dashed line) with varying

 

Анализ рис. 4 показывает, что даже в принятых граничных условиях с высокой пористостью ядра пористого заполнителя средняя плотность легкого бетона на полом заполнителе существенно ниже при одинаковом объемном содержании. Это означает, что для достижения одинаковой плотности легкого бетона потребуется больше пористого заполнителя, чем полого. Это также является существенным ограничение для достижения меньших значений плотности материала. Видно, что получение легкого бетона с плотностью менее 1600 кг/м³ применимы пористые заполнители с минимальной толщиной оболочки, в отличие от полого заполнителя.

Прочность легкого бетона зависит от содержания и прочности ключевых компонентов. Это прочность легкого заполнителя и цементного камня, объединяющего материал в монолитную структуру. Оценивается прочность по формуле (3) из [19], адаптированной для заполнителя c твердой оболочкой (рис. 3):

$R_{lb}=\left(1-{\nu }_f\right)R_c+2k_a{k}_f{\sigma }_f{\nu }_f$, (3)

где k_a – коэффициент, учитывающий прочность сцепления цементного камня с заполнителем; k_f – нормирующий коэффициент, учитывающий вклад прочности заполнителя; R_c – прочность цементного камня; σ_f – прочность легкого заполнителя.

При этом очевидным является предположение об аддитивности вклада оболочки и ядра в формировании прочности легкого заполнителя:

${\sigma }_f={\nu }_t{\sigma }_t+\left(1-{\nu }_t\right){\sigma }_{in}$, (4)

где ν_t – объемная доля стенки заполнителя; σ_t и σ_in – прочность стенки и ядра заполнителя соответственно.

Однако адекватным является представление прочности такого заполнителя как совокупность стойкости сферической оболочки к механическому разрушению и прочности ядра.

Стойкость сферической оболочки можно оценить по формуле [22]:

${\sigma }_f=\frac{1}{\sqrt{3\left(1-{\upsilon }^2\right)}}E\frac{t}{R_f-t}$, (5)

а прочность ядра по формуле:

${\sigma }_{in}={\sigma }_{in\mathrm{,0}}{\left(1-\frac{{П}_{in}}{\mathrm{0,84}}\right)}^{\mathrm{0,4}}$,

где υ и E – коэффициент Пуассона и модуль упругости материала стенки заполнителя соответственно; σ_in,0 – прочность материала без пор и дефектов.

Для определения модуля упругости материала используем формулу, предложенную в [23]:

$E=E_0{\left(1-\frac{{П}_t}{\mathrm{0,84}}\right)}^{\mathrm{0,4}}$. (6)

С учетом представленных формул прочность легкого заполнителя можно рассчитать по формуле:

${\sigma }_f=\frac{1}{\sqrt{3\left(1-{\upsilon }^2\right)}}{E}_0{\left(1-\frac{{П}_t}{\mathrm{0,84}}\right)}^{\mathrm{0,4}}\frac{t/R_f}{1-t/R_f}+{\sigma }_{in\mathrm{,0}}{\left(1-\frac{{П}_{in}}{\mathrm{0,84}}\right)}^{\mathrm{0,4}}$. (7)

На рис. 5 представлены результаты расчета прочности легкого бетона в соответствии с указанными формулами для модельных составов бетона на полом и пористом заполнителе.

 

Рис. 5. Теоретическая прочность легкого бетона³ на полом (сплошная линия) и пористом заполнителе (пунктирная линия) при варьировании

Fig. 5. Theoretical strength of lightweight concrete on hollow (solid line) and porous aggregate (dashed line) with varying  

 

Представленные зависимости показывают большую прочность легкого бетона на полом заполнителе, чем на пористом при одинаковом их объемном содержании. Это объясняется незначительным вкладом ядра заполнителя в формирование прочности заполнителя и существенном влиянии пористости стенки. То есть плотная оболочка полого заполнителя обеспечивает большую прочность зерна, чем пористая оболочка с пористым ядро при прочих равных условиях.

Важно отметить, что для обоих видов заполнителей при увеличении t/R_f наблюдается изменение тренда прямой с нисходящего на возрастающий. Это связано с особенностями структуры легкого бетона; так, при t→0 заполнитель участвует в формировании ячеистой структуры, сходной с пенобетоном или газобетоном, т. е. заполнитель вносит минимальный вклад в прочность композита. При увеличении толщины стенки до t≅R_f роль заполнителя увеличивается, а бетон будет приобретать черты тяжелого бетона. В первом случае прочность бетона определяется исключительно содержанием и прочностью цементного камня, а во втором существенное влияние оказывает заполнитель.

При получении высокопрочного легкого бетона средней плотностью меньше 1600 кг/м³ целевой прочностью можно считать величину 40 МПа. Из рис. 6 можно сделать вывод: такие величины прочности характерны для бетонов с большей толщиной оболочки ядра. Уменьшение t/R_f ограничивает содержание такого заполнителя, так как его избыток приводит к снижению прочности.

В результате для получения легкого бетона с высокой прочностью возникает задача поиска компромисса, так как целевое снижение средней плотности (меньше 1600 кг/м³) и сохранение прочности (не менее 40 МПа) лежат в противоположенных границах варьируемых факторов. На основе рассматриваемых моделей можно рассчитать теоретические диапазоны для полого и пористого заполнителей при прочих равных условиях и с учетом принятых допущений (табл. 2).

 

Таблица 2. Граничные значения содержания и свойств модельного легкого бетона при различных условиях

Table 2. Limit values of content and properties of model lightweight concrete under different conditions

№ п/п	Условие	Заполнитель
			0,01	0,05	0,1	0,15	0,2
ρlb≤1600 кг/м3
1	νf ≥	Полый	0,220	0,231	0,247	0,266	0,287
2		Пористый	0,341	0,338	0,335	0,336	0,338
3	Rlb≤, МПа	Полый	40,9	48,6	59,1	71,0	84,3
4		Пористый	35,8	47,8	64,2	82,6	103,3
Rlb ≥ 40 МПа
5	νf≤	Полый	0,240	max	max	max	max
6		Пористый	0,234	max	max	max	max
7	ρlb≥, кг/м3	Полый	1570	–	–	–	–
8		Пористый	1755	–	–	–	–

 

Данные табл. 2 демонстрируют, что граничная средняя плотность легкого бетона достигается во всем диапазоне варьирования соотношения t/R_f (строки 1–2 в табл. 2). При использовании полого заполнителя потребуется меньшее его количество, чем пористого. При этом расчетная прочность (строки 3–4 в табл. 2) для легкого бетона с минимальным содержанием полого заполнителя выше, чем для пористого при t/R_f≤0,1. Это связано с описанным выше влиянием вклада стенки и ядра заполнителя в формировании прочности заполнителя.

Для достижения заданной прочности (строки 5–6 в табл. 2) требуется большее содержание полого заполнителя, что отражается на меньшей плотности бетона. При этом более толстая стенка оболочки (t/R_f≥0,01) позволяет достигать 40 МПа при любом содержании рассматриваемого в данной статье диапазона ν_f=0–0,5 как полого, так и пористого заполнителя.

Кроме того, данные табл. 2 позволяют выделить важную особенность, которая заключается в следующем. Независимо от величины соотношения t/R_f можно выделить одну-единственную точку пересечения зависимостей прочности R_lb=f(ν_f) и плотности ρ_lb=f(ν_f) легкого бетона от содержания заполнителя (рис. 6). Эта точка пересечения указывает на единственно достижимые свойства бетона: R^*_lb и ρ^*_lb. Назначение других величин прочности R_lb≠R^*_lb и плотности ρ_lb≠ρ^*_lb легкого бетона не будет приводить к одному-единственному значению содержания заполнителя, что указывает на невозможность получения бетона с заданными свойствами.

 

Рис. 6. Зависимости прочности и плотности легкого бетона от содержания заполнителя при t/R_f = 0,01 (a) и t/R_f = 0,1 (b)

Fig. 6. Dependences of the strength and density of lightweight concrete on the aggregate content at t/R_f =0,01 (a) and t/R_f =0,1 (b)

 

Увеличение соотношения t/R_f приводит к смещению расположения точек пересечения зависимостей R_lb=f(ν_f) и ρ_lb=f(ν_f) в область меньшего содержания заполнителя (сопоставление рис. 6, a, b), однако не меняет указанной особенности.

Для заданных прочности R_lb≥40 МПа и плотности ρ_lb≤1600 кг/м³ легкого бетона из данных, представленных на рис. 6, следует, что при низких значениях соотношения t/R_f (рис. 6, a) получение такого бетона невозможно как на полом, так и на пористом заполнителе, а при увеличении соотношения t/R_f (рис. 6, b) оно реализуемо только на полых заполнителях.

Отсюда очевидно, что для решения практических задач разработки составов конструкционных легких бетонов рационально использовать удельную прочность бетона. Сочетание низкой средней плотности и высокой прочности легкого бетона ограничивается свойствами заполнителя. Информативной является зависимость удельной прочности (рис. 7) для исследуемых модельных систем, где показаны преимущества каждого из видов легких заполнителей.

 

Рис. 7. Удельная прочность легкого бетона на полом (сплошная линия) и пористого заполнителе (пунктирная линия) при варьировании t/R_f

Fig. 7. Specific strength of lightweight concrete on hollow (solid line) and porous aggregate (dashed line) with varying t/R_f

 

Полученные в соответствии с описанными выше моделями зависимости (рис. 7) показывают, что для получения высокопрочного легкого бетона (R_уд≥25 МПа) средней плотностью более 1600 кг/м³ целесообразно использовать пористый заполнитель, так как графики R_уд=f(ρ_lb) лежат выше. При ρ_lb<1600 кг/м³ достижение требуемых механических свойств возможно только на полом заполнителе либо имеет большее значение удельной прочности, чем на пористом. Определяющим в достижении требуемой удельной прочности легкого бетона становится толщина оболочки заполнителя.

¹ Спонголитобетон – вид легкого бетона на природном пористом щебне из органогенной осадочной кремнистой горной породы – спонголита.

² В модельном расчете принято П_c=0,1; ρ_c=2270 кг/м³; ρ_t=2500 кг/м³.

³ В модельном расчете принято k_a=1; R_c=50 МПа; σ_t=100 МПа; E₀=70 ГПа; υ=0,2; П_t=0; П_in=1; σ_in=0 для полого заполнителя и П_t=0,3; П_in=0,7; σ_in=4,5σ_t [19] для пористого заполнителя.

About the authors

A. S. Inozemtsev

National Research Moscow State University of Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: InozemcevAS@mgsu.ru

Candidate of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Moscow

E. V. Korolev

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: korolev@nocnt.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files